开关电源的设计与仿真范文
时间:2023-12-14 17:44:36
导语:如何才能写好一篇开关电源的设计与仿真,这就需要搜集整理更多的资料和文献,欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文,供你借鉴。
篇1
关键词aber;反激式开关电源;仿真
中图分类号TM359.4 文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)042-0020-01
开关电源被誉为高效节能电源,它代表着稳压电源的发展方向。目前,随着各种新科技不断涌现,新工艺被普遍采用,新产品层出不穷,开关电源正向小体积、高功率密度、高效率的方向发展,开关电源的保护电路日趋完善,开关电源的电磁兼容性设计及取得突破性进展,专用计算机软件的问世为开关电源的优化设计提供了便利条件。
Saber是美国Analogy公司开发,现由Synopsys公司经营的系统仿真软件,被誉为全球最先进的系统仿真软件,也是唯一的多技术,多领域的系统仿真产品,现已成为混合信号、混合设计技术和验证工具的业界标准,可用于电子、机电一体化、机械、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真,与其他由电路仿真软件相比,其具有更丰富的元件库和更精致的仿真描述能力,仿真真实性更好。
1反激式开关电源基本原理
反激式开关电源其拓扑结构如图1。
其电磁能量储存与转换关系如下
如图2(a)当开关管导通,原边绕组的电流Ip将线形增加,磁芯内的磁感应强度将增大到工作峰值,这时可以把变压器看成一个电感,逐步储能的过程。
如图2(b)当开关管关断,初级电流降到零。副边整流二极管导通,感生电流将出现在复边。从而完成能量的传递。按功率恒定原则,副边绕组安匝值与原边安匝值相等。
2基于UC3842的反激式开关电源电路设计
由Buck-Boost推演并加隔离变压器后而得反激变换器原理线路。多数设计中采用了稳定性很好的双环路反馈(输出直流电压隔离取样反馈外回路和初级线圈充磁峰值电流取样反馈内回路)控制系统,就可以通过开关电源的PWM(脉冲宽度调制器)迅速调整脉冲占空比,从而在每一个周期内对前一个周期的输出电压和初级线圈充磁峰值电流进行有效调节,达到稳定输出电压的目的。这种反馈控制电路的最大特点是:在输入电压和负载电流变化较大时,具有更快的动态响应速度,自动限制负载电流,补偿电路简单。以UC3842为控制芯片设计一款50W反激式开关电源,其原理图如图3所示。
2.1高频变压器设计
1)原边匝数
因为作用电压是一个方波,一个导通周期的伏秒值与原边匝数关系如式(1)
Np=(1)
式中 Np――原边匝数;
Vp――原边所加直流电压(V);
ton ――导通时间(us);
Bac――交变工作磁密(mT);
Ae――磁心有效面积(mm2)。
2)副边绕组
由原边绕组每匝伏数=母线电压/原边匝数可得
副边绕组匝数=(输出电压+整流二极管压降+绕组压降)/原边绕组每匝伏数
3)气隙
实用方法:插入一个常用气隙,例如0.5mm,使电源工作起来在原边串入电流探头。注意电流波形的斜率,并调整气隙达到所要求的斜率。
也可用式(2)计算气隙。
lg=(2)
式中lg ――气隙长度(mm);
u0 ――4n×107;
Np――原边匝数;
Lp――原边电感;
Ae ――磁心面积(mm2)。
2.2反馈环节
图3中反馈环节由光耦PC817和TL431组成,适用于电流控制模式。输出电压精度1%。电压反馈信号经分压网络引入TL431的Ref段,装换为电流反馈信号,经过光耦隔离后输入UC3842的控制段。
TL431是由美国德州仪器生产的2.5V-36V可调式精密并联稳压器。内有参考电压2.5V,它与参考端一起控制内部的比较放大器。在输出阴极和参考端可加反馈网络,影响整个开关电源的动态品质特性。
2.3控制芯片电路
UC3842由4脚外接RC生成稳定的振荡波形,振荡频率=1.8/R12×C15。6脚输出驱动脉冲,驱动MOSFET在导通和截至之间工作。8脚提供一个稳定的5V基准源。
3Saber电路仿真
利用 Saber 软件进行仿真分析主要有两种途径,一种是基于原理图进行仿真分析,另一种是基于网表进行仿真分析。基于原理图进行仿真分析的基本过程如下:
1)在Saber Sketch中完成原理图录入工作;
2)然后使用net list命令为原理图产生相应的网表;
3)在使用simulate命令将原理图所对应的网表文件加载到仿真器中,同时在Sketch中启动Saber Guide界面;
4)在Saber Guide界面下设置所需要的仿真分析环境,并启动仿真;
5)仿真结束以后利用Cosmos Scope工具对仿真结果进行分析处理。
在这种方法中,需要使用Saber Sketch和Cosmos Scope两个工具,但从原理图开始,比较直观。所以,多数Saber的使用者都采用这种方法进行仿真分析。但它有一个不好的地方就是仿真分析设置和结果观察在两个工具中进行,在需要反复修改测试的情况下,需要在两个窗口间来回切换,比较麻烦。
4系统仿真及实测
在Saber Sketch中完成原理图。并进行DC/AC分析。
如图4(a)为开关电源在220V交流输入时的MOSFET驱动电压波形仿真结果(b)为实测样机MOSFET驱动电压波形。作为专业级开关电源仿真软件,Saber在控制环路设计上,能够真实且直观的检验设计的稳定性。
如图5(a)为开关电源电流采样电阻上的电压波形的仿真结果(b)为实测波形。涉及开关电源部分器件选型的重要参数也同样可以通过仿真波形得到,例如开关器件MOSFET额定工作时通态最大电流等参数,同样可以从仿真波形中得出。
5结束语
在电路设计初期,借用Saber的电路级仿真可以很直观的对开关电源电路设计进行的评估,并在控制环路的设计上会有很大的帮助。在完成样机的初步测试后,同样可以借助仿真对电路功能进行校验。该电路广泛应用于小功率场合,具有体积小,成本低,结构简单等优点。
(a)仿真(b)实测
图4MOSFET驱动电压波形
(a)仿真 (b)实测
图5电流采样电阻电压波形
测试结果(图5b)为220V,50Hz交流输入时,实验样机测试波形。
参考文献
[1]沙占友.单片开关电源最新应用技术,2006.
[2]王建秋,刘文生.Saber仿真在移向全桥软开关电源研发中的应用,2009.
[3]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计,2000.
[4]Saber.仿真中文教程.
[5]张煜.基于Saber的Boost APFC仿真分析及DSP实现.2009.
篇2
电气工程及自动化
大功率开关电源的设计
一、
综述本课题国内外研究动态,说明选题的依据和意义
开关电源的前身是线性稳压电源。在开关电源出现之前,各种电子装置、电气控制设备的工作电源都采用线性稳压电源。随着电子技术的迅猛发展,集成度的不断增加,计算机等各种电子设备体积越来越小而功能却越来越强大,因此,迫切需要重量轻、体积小、效率高的新型电源,这就为开关电源技术的发展提供了强大的动力。
可以说,开关电源技术的发展是随着电力电子器件的发展而发展的。新型电力电子器件的发展为开关电源的发展提供了物质条件。20世纪60年代末,耐高压、大电流的双极型电力晶体管(亦称巨型晶体管,BJT、GTR)的问世使得采用高工作频率的开关电源的出现称为可能。
早期的开关电源开关频率仅为几千赫兹,随着磁性材料及大功率硅晶体管的耐压提高,二极管反向恢复时间的缩短,开关电源工作频率逐步提高。到了1969年,终于做成了25千赫兹的开关电源。由于它突破了人耳听觉极限的20千赫兹,这一变化甚至被称为“20千赫兹革命”。
在20世纪80年代以前,开关电源作为线性稳压电源的更新换代产品,主要应用于小功率场合。而中大功率直流电源则以晶闸管相控整流电源为主。但是,这一格局从20世纪80年代起,由于绝缘栅极双极型晶体管(简称IGBT)的出现而被打破。IGBT属于电压驱动型器件,与GTR相比前者易于驱动,工作频率更高,有突出的优点而没有明显的缺点。因而,IGBT迅速取代了GTR,成为中等功率范围的主流器件,并且不断向大功率方向拓展。
开关电源开关频率的提高可以使电源重量减轻、体积减小,但使开关损耗增大,电源效率降低,电磁干扰问题变得突出起来。为了解决因提高开关电源工作频率而带来的负面影响,同样在20世纪80年代,出现了软开关技术。软开关技术采用准谐振技术的零电压开关(ZVS)电路和零电流开关(ZCS)电路。在理想情况下,采用软开关技术,可使开关损耗降为零。正是软开关技术的应用,使开关电源进一步向效率高、重量轻、体积小、功率密度大的方向发展。经过近30年的发展,对软开关技术的研究可谓方兴未艾,它已成为各种电力电子电路的一项基础性技术。迄今为止,软开关技术应用最为成功的领域非开关电源莫属。
最近几年,“绿色电源”这一名词开始进入人们的视野。所谓“绿色”是指,对环境不产生噪声、不产生电磁干扰,对电网不产生谐波污染。为了提高开关电源的功率因数,降低开关电源对电网的谐波污染,在20世纪90年代,出现了功率因数校正(Power
Factor
Correction——PFC)技术。目前,单相PFC技术已比较成熟,相关的控制芯片已在各种开关电源中广泛应用,相比之下三相PFC技术则还处在起步阶段。
高频化是开关电源轻、薄、小的关键技术,国外各大开关电源制造商都在功率铁氧体材料上加大科技创新,并致力于开发新型高智能化的元器件,尤其是改善整流器件的损耗,以提高在高频率和较大磁通密度下获得高的磁性能。另外,电容器的小型化和表面粘着(SMT)技术的应用为开关电源向轻、薄、小型化发展奠定了良好的技术支持。目前市场上出售的采用双极性晶体管制成的100千赫兹开关电源和用场效应管制成的500千赫兹开关电源虽已使用化,但其工作频率还有待进一步的提高。
模块化是开关电源发展的总体趋势,可以采用模块化电源组成分布式电源系统,实现并联方式的容量扩展。
选择本课题可以使我掌握开关电源的工作原理,进一步加深对开关电源的理解。并把所学的专业知识(包括单片机原理与应用技术、电力电子技术、大学物理、计算机辅助设计等)应用到具体实例中,有效地巩固所学的基础理论知识,真正做到学有所用。
二、研究的基本内容,拟解决的主要问题:
1、研究的基本内容包括:开关电源的工作原理,大功率开关电源中普遍采用的全桥型电路及其驱动电路以及高频变压器的设计与制作等。
2、计划将此系统分成四部分——功率因数校正(PFC)电路、辅助电源模块、主电路以及控制电路。
3、功率因数校正电路用来提高整流电路的功率因数,防止大量的谐波分量涌入电网,造成对电网的谐波污染,干扰其它用电设备的正常运行。
4、辅助电源模块用来为控制电路提供电能。拟用单片集成开关电源芯片(TOP204)来实现。
5、控制电路用场效应管集成驱动芯片IR2155,驱动全桥电路。
6、主电路的设计主要包括高频变压器的设计和全桥型电路中功率管的选型。
三、研究步骤、方法及措施:
步骤:
(1)查阅相关的技术资料,制定初步的方案;
(2)利用适当的计算机辅助设计软件(如Proteus、PI
Expert
6.5、Multism等)对设计方案进行模拟仿真;
(3)四个模块设计的先后顺序为功率因数校正电路、辅助电源模块、控制电路和主电路。
方法:化繁为简,将整个系统分解成四个部分,方便设计、调试。对局部电路预先进行仿真,对结果有所预期。
措施:查阅于毕业设计有关资料和文献(图书馆、超星电子图书阅览室等)。经常与指导老师取得联系,一起探讨有关电路的设计方案等问题。
四、参考文献
[1]
康华光.
电子技术基础.模拟部分(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2005.
[2]
周志敏,周纪海,纪爱华.
高频开关电源设计与应用实例[M].北京:人民邮电出版社,2004.
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张占松,蔡宣三.
开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2000.
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蒋玉萍,倪海东.高频开关电源与应用[M].北京:机械工业出版社,2004.
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翟亮,凌民.基于MATLAB有控制系统计算机仿真[M].北京:清华大学出版社,2006.
[6]
王庆.Protel
99
SE及DXP电路设计教程[M].北京:电子工业出版社,2006.
[7]
刘国权,韩晓东.Protel
DXP
电路原理图设计指南[M].北京:中国铁道出版社,2003.
篇3
关 键 词 开关电源;有源功率因数校正;单周期控制
中图分类号:TM46 文献标识码:A 文章编号:1671—7597(2013)022-040-1
开关电源广泛的应用于工业、通信、电力、军事、生活等各个领域。随着越来越多的开关电源接入电网,其对电网的谐波危害日益严重,严重影响了电网的安全运行,降低电源的使用效率。采用有源功率因数校正技术(Active Power Factor Correction,APFC),实现开关电源的“绿色化”,降低电源对电网的谐波污染是电源接入电网的必要前提。
采用单周期控制的有源功率因数校正技术,能够将输入电流的波形校正为与输入电压同相的正弦波,提高整个系统的功率因数,降低电源对电网的谐波污染。
1 单周期控制的APFC技术
APFC技术的基本原理为在不可控整流桥与滤波电容之间加入一个合适的功率变换电路,常用的为BOOST变换电路或者BUCK电路,通过控制变换电路中开关管的通断,来控制电感电流的大小,进而控制交流侧输入电流的大小,将输入电流校正成为与输入电压同相的正弦波。
采用单周期控制技术,通过设置输出滤波电容大小,可以使得输出电压基本保持不变。图1为采用单周期控制的Boost型APFC电路的原理框图。
2 关键参数设计
电路的实验条件如下:额定功率250 W,输入单相交流电压120 V~250 V,频率50 Hz,输出直流电压400 V,开关频率50 KHz。以下为电源中关键参数的设计。
2.1 升压电感设计
在BOOST电路中,升压电感主要起到储能作用。在Ton期间,L上的电压为Ui,电流增量为 ,在Toff期间,L上的电压为Uo-Ui,电流减少量为IL(-),其中:
2.2 输出滤波电容设计
输出电容的选择应考虑以下因素:输出电压的大小及纹波值等效串联电阻的大小,容许温升等众多因素。此外,在输入交流电断电的情况下,电容容量足够大以保证一定的放电维持时间。在这些需要考虑的因素中,电容维持放电的时间需要的电容值最大,即电容只要满足放电时间,就能满足其他的要求。
考虑到电解电容存在ESR的作用,因此采用多只电解电容并联使用。
3 仿真实验分析
使用MATLAB/Simulink对上述设计的电源电路进行仿真分析,对电路参数进行优化与改进,可以看出,由于BOOST变换器前端采用不控整流加大电容滤波电路设计,只有当电源电压绝对值高于电容电压时二极管才能导通,从而有电流流过,其他时间二极管截止,电容放电,输入电流为零。因此,当输入电流为尖峰状,其中含有大量的奇次谐波,且与输入电压不同相,此时电源对电网造成严重的谐波污染,且电源的功率因数很低。而采用单周期控制技术,迫使输入电流跟随输入电压变化,使二者均为正弦波,且二者同相位,输入电流中含有的谐波大多为幅值较小的高次谐波,低次谐波的含量很少,大大减少了电源对电网的谐波污染,电源的功率因数可以达到0.99以上,提高了电能的利用率。
4 结论
基于单周期控制技术,对BOOST型APFC电路的关键参数进行了设计,并使用MATLAB/SIMULINK完成了电路的仿真实验。实验结果表明,采用单周期控制的有源功率因数校正技术,可以有效的将开关电源中输入电流的波形校正为与输入电压同相的正弦波,大大减少了电源对电网的谐波污染,提高了系统的功率因数。电路具有响应快、控制效果好、容易实现等优点,具备很强的实用性。
参考文献
[1]胡宗波,张波,胡少甫,邓卫华.Boost功率因数校正变换器单周期控制适用性的理论分析和实验验证[J].中国电机工程学报,2005,25(21):19-23.
篇4
【关键词】Saber软件 脉冲电源 射频开关
Saber是美国Analogy公司开发现由 Synopsys公司经营的系统仿真软件,为复杂的混合信号设计与验证提供了一个功能强大的混合信号仿真器,兼容模拟、数字、控制量的混合仿真,现已成为混合信号、混合技术设计和验证工具的业界标准,可用于不同类型系统构成的混合系统仿真,与其他电路仿真软件相比,其具有更丰富的元件库和更精确的仿真描述能力,仿真真实性更好,便于分析产品设计可能遇到的问题,对于降低开发费用、缩短开发周期等十分有用。
射频开关是射频通信中常用的链路切换器件,其频率范围从DC到40GHz可以做到全覆盖,除了其射频性能以外,驱动方式及其性能也是其重要指标之一;在进货检验或初次使用时,都要对其做一个全面的考核;为了精确测量评估射频开关驱动性能,要求提供脉冲电压幅度、宽度和频率可调的精密脉冲电源;本文提出了一种用于射频开关驱动性能测量评估的高精度数字可调脉冲电源的解决方案,并把利用saber软件的仿真参数移植到脉冲电源样机设计,实验结果达到了预期效果。
1 脉冲电源技术指标
本文介绍的用于射频开关供电的数字可调脉冲电源的主要设计指标:
输入电压:AC(220±10%)V /(50±10%)Hz;
脉冲输出电压范围: 0V~35V;
脉冲输出电压调节分辨率:0.1V;
脉冲输出电压纹波:≤50mV;
脉冲输出电流:≤450mA;
脉冲电压频率:0Hz~1kHz;
脉冲电压上升/下降延迟时间:≤45?s。
2 脉冲电源解决方案
自高频开关电源问世以来,已在电子、通信、电气、能源、航空航天、军事以及家电等领域作为解决方案广泛应用,并随着电力电子器件的不断发展,高频开关电源以效率高、体积小和快速响应等特点逐步取代了线性电源,但在某些对直流电压纹波要求极高的场合,线性电源以低纹波、电磁干扰小等特点具有很大优势。
由于脉冲电源输出电压纹波要求高,为满足设计指标要求,本文采取了线性电源和微控制器方案来实现。原理框图见图1所示。
从图1可以看出,脉冲电源按照线形电源原理设计,其工作原理为:首先PC机下发脉冲电压幅值和脉冲宽度,MCU接收到控制指令后,根据脉冲电压幅值选择变压器匝比,为三端稳压芯片提供合适的输入电压(5-40V),同时下发脉冲电压幅值指令给D/A芯片,D/A输出电压与三端稳压芯片输出端反馈电压通过运放比较,从而驱动三极管来调节线形稳压器LDO(LM317HV)调整端,形成闭环控制回路使线性LDO稳压器的输出电压达到PC机下设的脉冲电压幅值。其次MCU根据PC机设置的脉冲宽度控制PWM口驱动NMOS管,输出满足射频开关要求的脉冲电压幅值和宽度。
3 仿真模型搭建
Saber软件中具有很大的通用模型库和较为精确的具体信号器件模型,本系统依据脉冲电源解决方案,在Saber中选择方案中具体选型器件搭建仿真模型,仿真器件如表1所示。
3.1 仿真模型搭建
按照设计解决方案,利用saber软件搭建了仿真模型,如图2所示:主要包括LM317HV输出电压调节电路、NOMS管浮地驱动电路、输出电压采样电路和闭环控制器三部分。
3.2 LM317HV输出电压计算、D/A选择以及反馈电阻计算
电压输出模块主要采用 LM317HV 芯片完成转换输出。由于LM317HV芯片的输入电压一般要比输出电压高3V(即有3V的压降),输出端的最小电压为1.25V,为了使脉冲电源能输出0-35V电压,要求其输入Vin接 40V 的电压,同时把LM317HV芯片的ADJ 端口引入闭环反馈环路,通过D/A转换器芯片的输出电压Vda与反馈采样电压进行比较,使LM317HV的输出端电压降为0V。输出电压取决于闭环回路中三极管Q1集电极电压Vc,计算公式为:Vdc=1.25+Vc。详细电路如图3所示。
由于本设计输出的电压为0V 到35V 之间,步进电压为0.1V,为了保证调节精度,选用5V/12位DAC7802作为基准参考,考虑噪声干扰因素,按照10位的有效精度考核,最小分辨率为0.00244V,即满足系统0.1V调节精度要求,反馈电阻精度0.01%,当R1采用1.8欧时,R2=6R1,即R2为10.8欧,满足脉冲输出35V电压要求。
3.3 仿真和样机实验结果
本文针对额定电压为12V/450mA的射频开关,对输出0.1V和12V的仿真结果和样机实验结果进行了对比。
图4为仿真输出0.1V/100ms脉冲电压,脉冲幅值为0.10025V,上升沿为12.175us,下降沿为8.4626us,脉冲宽度为0.099986s。
图5为样机实验输出0.1V/100ms脉冲电压,脉冲幅值为0.09725V,上升沿为31.2us,下降沿为26.9us,脉冲宽度为0.09999s。
图6为仿真输出12V/100ms脉冲电压,脉冲幅值为11.99V,上升沿6.0126us,下降沿为4.8586us,脉冲宽度为0.099988s。
图7为样机实验输出12V/100ms脉冲电压,脉冲幅值为11.99V,上升沿为43.93us,下降沿为42.13us,脉冲宽度为0.1000s。
该样机在带额定电压为12V/480Ma的射频开关时,输出的100ms的脉冲电压符合设计要求,已成功用于某射频开关测试设备产品。
4 结束语
本文根据某射频开关测试产品的要求,设计了一种射频开关供电脉冲电源。利用saber库中元器件建立了脉冲电源电路仿真模型,并以同样参数元器件设计了实验样机,仿真和实验结果基本一致,脉冲电压的动态响应和精度都达到了预期效果。采用saber仿真辅助产品设计,减少了实验样机开发轮次,缩短了产品开发周期,同时降低了设计成本。可见saber辅助仿真建模是未来开关电源设计必不可少的软件工具之一。
参考文献
[1]杨帆,赵亚范.基于Saber的程控电源仿真设计[J].系统仿真技术,2016,12(01):46-50,55.
[2]冯金林,王海泉.射频开关阈值电平设置与分析[J].有线电视技术,2013,20(01):100-103.
[3]吕天文.中国线性与开关电源的现状及发展趋势分析[J].电源世界,2011,12:8-9.
[4]李翔翔,孙爱鸣.基于Saber器件库的L6599芯片建模及仿真[J].微型机与应用,2016,35(12):35-38.
[5]郭焱,张加勤.一种高精度数控稳压电源的设计与实现[J].化工自动化及仪表,2013,40(12):1532-1536.
作者简介
王生范(1980-), 男,工程师。
篇5
【关键词】离线式;PWM开关电源;传导电磁干扰;分析
前言
随着科学技术的巨大进步,社会环境当中的电力电子装置也得到了广泛的普及应用,而这些设备在使用的过程中必然会产生较强的电磁干扰现象,反过来,这些干扰现象又会对设备本身的稳定运行带来不同程度的影响。从以往的研究资料中可以看到,通过研究电力电子装置的电磁干扰源及其特征,有助于改善电力电子装置的电磁兼容性能,从而有效削弱设备开关电源传导电磁现象,保证电力电子设备的稳定运行。
一、针对开关电源传导电磁干扰源及其相关内容的分析
离线式PWM开关电源装置是一种抗噪性较强的装置,它具备一定的经济性与实用性特征,在工程中的应用极为普遍。从总体来看,欲想要研究PWM开关电源传导电磁干扰,则首先要明确开关电源传导电磁干扰源及其在主电路中的作用机理。基于此,构建一种包含有功率半导体器件以及无源元件等内容的高频电路模型,并对该模型进行电磁干扰的模拟分析,从而对其性能做以了解,以便于在实际操作中能够有效避免开关电源传导过程的电磁干扰现象。
(一)离线式PWM开关电源传导电磁干扰源
鉴于实际电力电子装置中半导体器件的开关瞬态性能、电路连线的三维结构以及无源器件的非线性等因素的影响,如若直接对其进行精确的描述则就会遇到较大的阻碍,因此,构建一种包含有功率半导体器件以及无源元件等内容的高频电路模型的方法对实际装置的电磁干扰发射还很难进行准确的预测[1]。
(二)电磁干扰源及其模型特征分析
从专业的角度来看,电力电子装置中的开关器件的非线性是致使其产生电磁干扰的主要根源。鉴于各类型装置中所选用材料较为特殊,往往在实际使用的过程中,可以忽略这一电磁干扰现象,但并不意味着此类型的干扰不会对设备的正常运作产生影响。通过理论分析可知,高频功率开关器件是传导电磁干扰源,通常会在开关瞬间产生电磁干扰[2]。离线式PWM开关电源的传导干扰源以及耦合途径有着直接关联,而且,开关电源在受到典型传导干扰源作用时,则会呈现出干扰耦合通道的状况。由此可以了解到,若想要有效避免离线式PWM开关电源传导电磁干扰,则要从其机理及特征着手来操作。
二、有效避免开关电源传导电磁干扰的措施分析
(一)浅析离线式PWM开关电源传导电磁干扰的特性
经分析,离线式PWM开关电源传导电磁干扰的特性较为突显,即离线式PWM开关电源传导电磁干扰数据可以通过测算模拟环境中的干扰源及其参数来获取,因此,探究避免PWM开关电源传导电磁干扰的有效措施之一便是通过其干扰特性来将其避免。基于离线式PWM开关电源传导电磁干扰的特性,提出了一种测量交流电机传动系统中电磁干扰耦合途径特性的方法,即得出传导干扰耦合通道的特性[3]。
(二)探究避免PWM开关电源传导电磁干扰的合理措施
在建立高频电路仿真模型过程中,在上文中所提到的一种包含有功率半导体器件以及无源元件等内容的高频电路模型的方法,通常需要将各个元器件单独进行建模,而对元器件间实际存在的高频耦合效应未予以考虑,这种简化处理有时会严重影响对电磁干扰的正确理解和分析,同时,也不利于指导设计人员进行技术调试[4]。
因此,探究一种有效避免离线式PWM开关电源传导电磁干扰的可行性措施极为必要。从现实情况来看,开关电源传导电磁环境呈现一种动态的变化趋势,随着因素及条件的变化而发生细微的变化。因此,通过构建模型来探究避免产生电磁干扰的方法有一定的现实意义。从测算数据中可以了解到,开关电源传导电磁干扰的特征较为明显,只有针对其特征变化情况来采取必要的措施来改善,才能对开关电源传导机制的正常操作带来实质性帮助。
三、结束语
综上所述,从以上所分析的情况来看,由于离线式PWM开关电源中高速功率开关器件在应用时能够产生瞬间的电流、电压,则会对电力资源通道中的电流以及电压造成一定的影响。在实际的电网环境中,这种类型的开关电源传导电磁干扰普遍存在。经系统的分析与验证可知,通过将开关电源置于不同的占空比状态,经模拟实验操作过程可以了解到,通过测量开关电源在拟定干扰源时的传导状态,能够进一步明确其传导特征,最后,凭借在模拟实验中所得出的开关电源传递特征,得出阻隔传导干扰的有效方法,为实践操作带来启示。
参考文献
[1]陈治通,李建雄,崔旭升,等.反激式开关电源传导干扰建模仿真分析[J].电源技术,2014,05(05):955-956.
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篇6
关键词:振荡器;开关电源;锯齿波振荡器;基准电压
近年来,开关电源芯片被广泛应用于通信电子产品的电源供电系统。目前,开关电源主要采用PWM控制电路,锯齿波振荡器是PWM控制电路的核心功能部件。在电源电压、温度、工艺和环境负载变化或者漂移的条件下,要求振荡器能够产生频率稳定的信号输出。许多锯齿波振荡器虽然具有稳定性好、精度高的特点,但受环境温度和电源电压影响较大,基于以上要求,本文设计一种锯齿波产生电路。
1 电路结构及原理
1.1 电路整体框架及原理
图1为RC振荡器的原理图。本文提出的锯齿波振荡器主要由三部分构成,一部分是基准产生的电流I1和I2,一部分由电容C和开关K1、K2组成,最后一部分是控制电路。
该电路利用基准源产生的电流I1对电容C进行充电,利用电流I2进行放电,从而产生对开关K1和K2的控制信号。
产生脉冲的工作过程如下:假设输出信号Um为低电平,使开关管S1导通,S2关断。这时电流I1对C进行充电,使a点电压Ua升高,经过控制电路作用后,使输出信号Um变为高电平;然后,Um使开关管S1关断,S2导通,电流I2对C进行放电,使a点电压Ua降低,输出Um又变为低电平。电路如此反复循环工作,便在输出端产生振荡信号,Ua是产生的锯齿波信号。
1.2 具体电路设计实现
振荡器实际电路结构如图2所示,其中Uref引脚输入的是来自带隙基准的参考电压,Um是输出给后级的最大占空比信号,Uout是所要求的锯齿波输出信号。
图1中的开关S1、S2分别由PMOS管VT4和VT5代替。因此,图1中的倒相器在具体电路中便不需要实现。在集成电路中不易直接实现精确的电流源,所以先产生一个精确的参考电压Uref,然后通过一个U-I变换电路,产生两个精确的充放电电流I1和I2。图2中的电阻R是外接的精密电阻,电路中运放将B点电位钳位在参考电压Uref,因此流过R的电流为
假设振荡器输出信号Um初始值为低电平,VT4打开,VT5关断,电流通过VT4流到电容,电容进行充电。此时Ua低于VH,COMP1输出高电平,Ua高于VL,COMP2也输出高电平,Um保持低电平。直到C的电压上升到高于VH一点,COMP1输出低电平,使得Um翻转为高电平。此时VT5打开,VT4关断,电流通过VT5,电容C通过VT6支路进行放电,逐渐减小。直到C的电压降低到低于VL一点,COMP2输出低电平,Um翻转为低电平。电路如此循环,在输出端产生振荡信号。
如图3所示,门限电压是由Uref1对Uref2产生,Uref1对Uref2是来自基准模块的电压,不随温度和电源电压变化,所以VH和VL基本保持恒定。
1.3 输出频率的计算
不同的充放电电流决定了输出高低电平的不同脉宽,所以决定了方波信号的占空比。具体原理如下:
在一个充放电周期内设电容的充电时间为Tr,放电时间为Tf,电容充放电的周期为Ts,由电容的电流公式:
从而 Ts≈Tr
得到锯齿波的下降沿近似垂直。通过调整电容C或者R的大小,可以得到预期的锯齿波振荡周期为Ts=7.6μs,即振荡器的周期为132kHz。其中VH和VL都是由基准电压而得到的,故不随外界条件变化,从而使振荡频率不受电源电压和温度的影响而维持恒定。
2 仿真结果与分析
此电路采用TSMC 0.5μm工艺实现,用Spectre进行仿真。在5.8V电源输入,27℃环境温度下,图4是振荡器产生的锯齿波信号以及最大占空比输出信号,由仿真结果可知锯齿波的频率精确控制在132kHz,且上升沿线性度好,下降沿陡峭,最大占空比达。
表1给出了振荡器在不同电源电压和温度下的振荡周期仿真结果,由表格所示结果可知,振荡频率最小为129kHz,最大为135kHz。频率漂移范围在±3%内,可见频率随电源电压和温度变化的影响较小,振荡器的精度较高。
参考文献
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[3] 张占松,蔡宣三。开关电源的原理与设计(修订版)。北京:电子工业出版社。2006. 81-86.
篇7
关键词 LM5117;降压型开关稳压电源;闭环控制
中图分类号:TN492 文献标识码:B
文章编号:1671-489X(2017)06-0036-03
Abstract This system design chooses LM5117 chip and CSD18532-KCS MOSFET of TI Company as control core voltage stabilizing system, and builds a stable and efficient buck type DC switching power supply. It uses the closed-loop feedback control voltage, im-proving the stability of output voltage. Design reduces the output ripple voltage, selecting the appropriate switching frequency com-pensation and loop network to enhance the stability and load capa-city, make output voltage more stable.
Key words LM5117; Buck DC; feedback control
1 引言
开关电源凭借其相对于线性电源的体积小、效率高、可靠性强的优点,在越来越多的场合得到应用。传统的PWM开关电源电路结构复杂,开关频率低,电源功耗高,纹波系数大。随着对开关电源性能要求的不断提高,传统的PWM开关电源逐渐不能满足性能要求,随着半导体技术的迅猛发展。模块化的开关电源控制芯片的优越性能得到越来越广泛的应用,工作频率高,纹波系数小,带负载能力强,便于调试。TI公司生产的军工级新型同步降压控制器LM5117就是优秀代表。
2 LM5117介绍
LM5117是一款同步降压控制器,适用于高电压或各种输入电源的降压型稳压器应用。其控制方法基于采用仿真电流斜坡的电流模式控制。电流模式控制具有固有的输入电压前馈、逐周期电流限制和简化环路补偿功能。使用仿真控制斜坡可降低脉宽调制电路对噪声的敏感度,有助于实现高输入电压应用所必需的极小占空比的可靠控制。LM5117的工作频率可以在50~750 kHz范围内设定。可利用自适应死区时间控制来驱动外部高边和低边NMOS功率开关管(《LM5117技术手册》)。
3 方案描述
为满足题目要求,本系统能够处理两种输入信号:16 V直流输入电压、外部负载R。通过人工方式在两种输入信号之间进行功能的切换,然后通过LM5117为核心的稳压电路,分别实现16 V输入、5 V恒压输出,负载R可变输入、1~10 V电压输出这两种功能。同时利用采样电阻采集电流信号交给比较器控制,进行过流保护,提高系统可靠性。整体设计框图如图1所示。
4 方案设计
降低纹波 本系统采用加强输入输出的LC滤波网络,输入输出信号在送到对应端口之前均采用多个电容并联,大大降低纹波电压;输出端的LC滤波网络选用较小电感(10 μH),降低电路功耗,有助于提高电源效率;输出端采取C1和R21阻容吸收网络,消除尖峰[1]。
负载R检测 本系统使用LM358构成的恒流源电路[2],将负载R的阻值转化成电压差分信号送入INA118仪表放大器进行放大,经恒流源转化后差分信号Ud与负载阻值R之间满足题目要求计算公式:Ud=R/1k(V)。
Ud被放大后通过运放,成为VOUT输出。
负载R检测如图2所示。其中,U1A构成恒流源,RL为待测负载R(仿真电路中条件RL=5k),U2的INA118P为仪表放大器[3],处理恒流源转化的电压差分信号R3/R5和R6/R4分别构成的分压电路和比例电路。
稳压控制 本系统采用以LM5117芯片为核心的稳压电路,内部高增益误差放大器产生一个与FB引脚电压和内部高精度0.8 V基准之差成正比的误差信号。选取合适的RCOMP、CCOMP和CHF构成π型环路补偿元件,连接至COMP引脚的误差放大器。选取合适的反馈调节网络,使输出电压稳定到需求值[4]。
过流保护 LM5117芯片的UVLO端口是欠压锁定编程引脚。当UVLO引脚低于0.4 V时,稳压器处于关断模式,所有功能被禁用。如果UVLO引脚电压高于0.4 V并低于1.25 V,稳压器随VCC稳压器运行而处于待机模式,此时SS引脚接地,且HO和LO输出端不会切换。决定利用这一特性,使工作电流超过额定电流时强制拉低UVLO口的电压至0.4 V~1.25 V之间,将LM5117芯片置于待机状B。
采集输出电流,将取样电压与达到额定电流时的电压进行比较,将比较结果使用CD4013进行锁存,并反接肖特基二极管SS14,使过流时的UVLO端口钳位到0.7 V,达到过流保护的效果[5]。过流保护如图3所示。主电路整体原理图如图4所示。
5 测试方案与测试结果
首先,将本系统与外部直流电源相连接,调节直流电源输出电压,使得系统输入UIN=16 V,保持恒定。调节负载大小,当IO=0.2IOMAX,记录UO,即为轻载输出电压;当IO=IOMAX,记录UO,即为满载输出电压,计算负载调整率SI。
其次,调节直流电源输出电压,当系统输入UIN=13.6 V和UIN=17.6 V时,分别记录UO13.6V、UO17.6V,计算电源电压调整率SV。
再次,调节直流电源输出电压,使得系统输入UIN在13.6~17.6 V范围内变化,在其中选取5组不同输入电压值进行测量。记录不同输入电压UIN分别对应的输入电流IIN、输出电压UO以及输出电流IO,计算转换效率η。
最后,调节直流电源输出电压,使得系统输入UIN=16 V,保持恒定。改变外接待测电阻R大小,测量并记录不同阻值下对应的输入电流IIN、输出电压UO以及输出电流IO,计算转换效率η。
测试结果如表1~表4所示。
经测试,本系统能够完成题目所有的设计性能要求。并且在负载调整率及转换效率方面均优于设计要求。
6 结论
通过一系列功能测试,本系统以LM5117为核心设计稳压电路,实现16~5 V的DC-DC电压变换,同时能够检测外接负载R大小并根据一定的公式调节输出电压。经测试,系统能够实现所有要求,并提高电源效率达到91%以上,负载调整率降至0.4%,同时将纹波电压峰峰值控制在20 mV
以内,是一款性能优良的降压型直流开关稳压电源。
参考文献
[1]童诗白.模拟电子线路[M].北京:清华大学出版社,1996.
[2]姚福安,徐向华.电子技术实验课程设计与仿真[M].北京:清华大学出版社,2015.
[3]陈大钦,罗杰.电子技术基础实验[M].3版.北京:高等教育出版社,2008.
篇8
【关键词】电解电容;驱动电路;有源纹波补偿;保护电路
1.前言
LED(发光二极管)为新一代的绿色照明光源,具有节能、环保、高亮度、长寿命等诸多优点。它不仅是照明光源的新宠,也与人们的生活戚戚相关。因此,研制长寿命的驱动电源,构建高效率、低成本、高功率因数和是LED灯发光品质和整体性能的关键,也是LED照明技术发展的需要。据不完全统计现有的白炽灯泡寿命比LED灯少约40倍。因为发光二级管不仅是直流电流驱动器件,也是光电转换器,有将光电转换的功能。它的作用主要是通过流动电流,将电能转变为光能,所以其优势是比一般的光源的节能效率和工作寿命都要高。但是,在LED驱动电源的整流电路和滤波电路中一般需要使用大容量的电解电容。电解电容器的寿命一般为l05℃/2000h,就是说当电容周围温度升高到105℃时其寿命只有84天,即使工作在温度为85℃的环境中,使用寿命也仅为332天,所以电解电容是阻碍LED驱动电路寿命的主要原因。为了提高驱动电源的寿命,有必要去掉电解电容,为此文中提出一种无电解电容的高亮度LED驱动电源。
2.LED驱动电路的工作原理
3.LED驱动电路的具体设计
3.1 输入电路的设计
3.1.1 EMI滤波器的设计
3.4 有源纹波补偿电路的设计
3.4.1 有源纹波补偿理论
因为现有的LC滤波电路无法完全滤除纹波,而且电容量小的电容滤波效果更差,所以传统的开关电源输出波纹大,若流过LED的电流纹波过大将不仅影响了LED的光效,而且影响LED的光衰,特别是电解电容由于它的使用寿命短,从而严重的缩短了开关电源和LED的使用寿命。因此,从研究小电容量入手、以输出纹波小、能量变换效率高为内容,以使用的安全性和长期性为目的,构建新型驱动电源,是十分重要的和必要的,是当前急需解决的问题,具有一定的科学性和可靠性。
文献[4]在总结主辅补偿电路的基础上,采用线性电源对电感纹波电流进行补偿的方法,其电路结构如图8所示。通过检测电阻R1的电压来检测电感纹波电流,放大器输出与电感纹波电流反向的补偿电流通过电阻R5将电感纹波电流补偿。该电路通过用电阻匹配来解决纹波电流补偿问题,容易实现;并且省去电解电容,使得电源的使用寿命能够延长。
3.4.2 有源纹波补偿电路的设计与仿真
如图9所示,有源纹波补偿电路由三极管,运算放大器A1,A2,和电感电流检测电阻组成。其原理是通过检测电感两端的电流,通过运算放大器A1和A2比较后控制三极管的开关实现电流的补偿。
4.结束语
目前LED驱动电路中,影响驱动电路整体寿命的主要因素是储能电容,所以本设计采用线性电源抑制输出波纹,达到减小储能电容的电容量的目的,因此可以在不增加输出波纹的情况下采用寿命长的薄膜电容取代电解电容,从而提高LED驱动电路的整体寿命。从仿真结果来看,采用以有源纹波补偿后,电路运行稳定,各项指标满足要求,这说明此方法能够有效的提高了驱动电路的使用寿命。
参考文献
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[4]Fu C M-S,Lu D D-C,Sathiakumar S.A novel method to reduce the operating temperature of high power light-emitting diodes[C].Australasian Universities Power Engineering Conference 2008(AUPEC'08).Sydney,NSW.Dec 14-17,2008:1-6.
篇9
[关键词]单片机;控制;恒流测试系统;系统设计
[DOI]1013939/jcnkizgsc201619057
通过将恒定的电流施加到超级电容器上,充放电实验超级电容器,对超级电容端随时间改变的规律进行研究,超级电容在不同电流下的小串联电阻和容量等都能够非常有效地得到。因此,在单片机的基础上设计控制恒流测试系统是非常必要的。
1设计硬件电路
11系统的组成及工作机理
该系统主要由恒流充放电主电路、开关电源供电电路、电流电压检测电路及PIC控制系统构成。将典型的正激双管式拓扑结构应用到开关电源电路中,TL494脉宽调制控制器为基本的控制芯片,经过采样反馈回路,获取输出电压,对脉宽宽度大小进行改变,对开关管导通时间实施调节处理,进而确保输出电压的稳定。
12充放电柱电路系统
充放电柱电路主要由两部分组成,即有源电子负载和恒流源,通过恒流源为超级电容器充电是其基本思想,然后,超级电容器再利用恒流形式下的有源电子负载进行放电,对于充放电功能的自动转换,由继电器完成控制。
恒流源用图中的虚线框表示,有源电子负载用右虚线表示,继电器为KA1和KA2,由单片机控制它们的状态。在进行充电时,闭合KA1,断开KA2,将供电电路接通,将超级电容器中的电充满,将功率器和耗能电阻应用到回路中将电能消耗掉。单片机利用输出低电平和高电平,对开关KA1和KA2的通、断情况进行控制,完成恒流放电和恒流充电的转换,也就是有源电子负载功能和恒流源之间的相互转换。
在设计恒流源电路时,对开关的状态,用运算放大器控制功率管进行掌控,确保稳流功能的实现,有高精度的大电流存在于这种电路中,对相关的设计要求予以满足。图1为此电路的模型图。
图1充放电柱电路系统
其中控制电压用Ui表示,输出电流为Io,运放为A1和A2。由单片机完成控制电压Ui的输出,由用户完成大小的设定。Ui向着A1中输入,在放大之后,对MOS管的导通程度进行控制,进而生成输出电流Io。在采样电阻Rs上输出电流会生成采样电压,通过放大向着运放A1的反向输入端中反馈,然后合理调整其中的输出电流,进而发挥出稳流的功能。把采样电阻上获取的采样电压向着单片机中输入,利用数据的处理,最后,二次调整输出控制电压。
按照虚断和虚短的规律,能够将输出电流和控制电压之间的关系推导出来,用恒流模式下的电子负载放电作为超级电容器放电测试的主要构成部分。有效的结合起有源地码字负载和恒流远电路,通过继电器和少量的电路的掌控,实现恒流放电和恒流充电的功能切换,进而提升工作效率,大大地节省投入成本。
13控制系统
在对电路进行控制时,将PIC16F877A作为主控芯片的控制器,它的运行速度比普通的单片机要快上5倍左右,而且具备10位ADC转换模块和完善的时钟模块,此外与USART总线方式结合了起来,与上位机的通信可以有效地完成。
一个六位的端口为PIC单片机端口RA的主要特征。端口里面的RBA-RB7具备电平改变中的终止功能,在4×4矩阵键盘中断响应端口中能够发挥相应的作用,将输出电流值、电压限定值和电路工作方式利用矩阵键盘能够设定出来,对于设定的输出电压限定值和输出电流值用数码管显示出来。对MAX7219显示控制芯片进行应用,有BCD码编码器存在于内片集成中,数据段驱动器、多元扫描电路等将八位显示数据的静态RAM存储了进去,将八个七段共阴级数码显示管能够一同的完成驱动处理,对较少的端口资源进行占用。
14分析供电电路
如图2所示。输入整流滤波器是由图中的C1、C2、C3、C4和扼流Lab一同将输入整流滤波器构造了出来,避免电网的干扰信号和开关电源互相干扰。由TL494对正激双管式的两个开关管进行掌控,然后确保D1与D2能够一同被中断,在输入电压值上籍位电压,所以,将单管一半的耐压值应用到开关管中就可以。将TL494作为控制驱动芯片,这种集成电路是由典型的固定频率脉宽调制控制的,对于控制开关电源所需要的所有功能它都能够包含于其中,可以当作半桥式、全桥式、单端正激双管式开关电源的掌控系统。将TL431和4N34组合作为反馈采样回路的光耦隔离器。
图2供电电路
通过滤波电路,交流220V市电流利用整流桥向着300V的直流电压转变,之后利用通断控制功率MOS,用高频脉冲电压取代300V电压,然后,向着高频变压器中送入,再通过滤波、稳压和流管整流,将48V的直流电压输出来。经过反馈回路,将部分输出电压向着TL494脉宽调制控制器中输送,利用对输出脉冲电压脉宽宽度的大小进行改变,对功率MOS管的开通时间进行掌控,从而对输出电压进行调节控制,将稳压的作用发挥出来。
2仿真设计放电主电路
篇10
【关键词】开关电源;模糊控制;仿真
1仿真电路
1.1SG3525仿真电源模型SG3525是开关电源常用的控制芯片,其性能优良、功能齐全、通用性强,简单可靠、使用方便灵活,输出驱动为推拉输出形式,增加了驱动能力;内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器,有过流保护功能,频率可调,同时能限制最大占空比。个人认为SG3525的反馈输入是有误差放大器的,所以应该再加上误差放大器ke,根据其数据手册误差放大器的开环增益典型值为75dB,由知。脉冲发生器PG2以及相关逻辑电路是为了将前面产生的一路PWM波分成两路,来实现对桥路的双极性控制。所以脉冲发生器PG2的频率即是本设计电源工作频率50kHz,而脉冲发生器PG1的频率是PG2的两倍即100kHz。而后面使用的Mux是为了让两路PWM波合成,已满足UniversalBridge模型的输入要求,SG3525仿真电源模型如图1所示。摘要:详细介绍了砌块成型机上应用的一种新型振动系统的无极调速、自动变频变幅智能伺服控制系统。关键词:砌块机;振动系统;伺服智能控制系统;自动变频振动系统是砌块成型机的核心,传统第一代振动技术采用接触器直接控制普通电机的运转,电机转速固定不变。一般砌块成型机的生产周期为15s~20s,一个生产周期需要电机启停4次,这样的生产条件使制动装置摩擦损耗大,接触器易拉弧,电机使用寿命降低,设备维修成本增加,且还不能很好地适应多种原材料制品的成型生产。第二代振动技术采用变频器控制,虽能解决多级调速问题,但变频器高低速频繁转换及启停,频繁的加减速使变频器容易产生炸机,因而需要延长变频器加减速时间来降低产生故障的可能,导致设备生产周期变长,影响了生产效率和出现较多的能量消耗。以上两种振动形式在同样的转速下,要改变振动系统激振力的大小,只能通过手工增减偏心振动块的偏心质量来完成,费时费力极不方便。在目前砌块机市场新常态下,如何创新,如何提高国内砌块机的竞争力,一种振动系统的无极调速、自动变频变幅智能伺服控制系统由此而生。1伺服振动系统原理4台ABCD伺服电机各在其电机轴上通过机械装置转换联接ABCD偏心振动块,每两台为一组,组成振动台,如图1所示。为了叙述方便,ABCD可视为伺服控制器或电机或偏心振动块。四台ABCD伺服控制器通过编码器等线路相对应的联接四台ABCD伺服电机,给ABCD伺服4台控制器建立一个闭环通讯网络,图中C为速度主机,B为速度从机,D为角度主机,A为角度从机。速度主机C的速度数值(如4000r/min)由计算机或触摸屏输入,经上位机与PLC的通讯传输到PLC内部地址,PLC再与伺服控制器C建立通讯,C号电机轴上的编码器信号,通过该控制器的“编码器信号输出口”给定B号电机的控制器的“外部轴编码器信号的接收口”。B号控制器进入跟从同步模式,实时与C号保持完全一致。伺服控制器C将得到的速度数值(如4000r/min)告诉B和D,D再转告A;同理,角度主机D和A的相位角数值也建立起来了。控制器通讯响应快读取相应的数值,其输出频率和电机的反馈频率一致,误差在0.01Hz以内,保证了控制器对电机在速度模式控制下的精确性,简化接线及示意图见图2。
2找机械原点